Schwankungen oder Störungen im Stromnetz können eine hohe Belastung für technische Geräte sein. Für Unternehmen bedeuten solche Fälle oftmals Betriebsausfälle der IT oder sogar Datenverlust. In Privathaushalten können Spannungsschwankungen dazu führen, dass Geräte, die der Kommunikation, Unterhaltung oder Sicherheit dienen, gefährdet werden. Egal, ob professionelles IT-Zubehör oder einfache Elektronik, zum Schutz derartiger Komponenten hat sich die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) bewährt.
Stromausfälle sind in der Schweiz erfreulicherweise eher selten. Trotzdem treten bei der Stromversorgung, aber auch bei der Qualität des Stroms gelegentlich Schwankungen auf, welche den Betrieb von empfindlichen elektronischen Systemen negativ beeinflussen können. So kommt es immer wieder, z. B. aufgrund von Kurzschlüssen oder besonders hohen Einschaltströmen elektrischer Anlagen, zu ungewollten Spannungsabsenkungen im Netz. Andererseits führen Blitzeinschläge und das Abschalten grosser Stromverbraucher zu entsprechenden Spannungsspitzen.
Auch Wettereinflüsse wie Stürme, Schneefall oder starker Regen können sich gelegentlich störend auf die Netzstabilität auswirken. Die Energieversorger können zwar die auftretenden Schwankungen und Unregelmässigkeiten der Netzfrequenz nachregeln, jedoch können lokale Auswirkungen trotzdem empfindliche Geräte und IT-Systeme in ihrer Funktion stören oder sogar beschädigen.
Eine zuverlässige und sichere Stromversorgung von Geräten aus der Kommunikations- und Informationstechnik gewinnt daher zunehmend an Bedeutung. Um dies zu gewährleisten, wird eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) zwischen die Stromzuleitung und die zu sichernden Geräte oder Systeme geschaltet. Abhängig vom Konzept dieser USV können so die angeschlossenen Verbraucher vor Störungen geschützt werden. Potenzielle Netzstörungen sind beispielsweise Netzausfälle, die länger als 10 Millisekunden anhalten, fortlaufende Über- oder Unterspannungen, Spannungsschwankungen, also Einbrüche mit einer Dauer von 16 Millisekunden oder weniger, Spannungs- oder Schaltspitzen.
Beispiele für den Einsatz von USV-Anlagen sind IT-Anlagen insbesondere Datenbank- und E-Mail-Server, Haus- und Gebäudeleittechnikanlagen, Prozessleitsysteme, Telefonanlagen, Not- und Tunnelbeleuchtungen oder Anlagen in Spitälern. Aber auch in Systemen mittelständischer und kleiner Unternehmen sowie in Privathaushalten sind USV-Anlagen mittlerweile stark verbreitet.
Wie funktioniert eine USV?
Die Elektronik einer USV überwacht kontinuierlich die vom Netzanschluss eingehende Spannung. Bei einer Störung schalten USV-Anlagen der Klasse 2 und 3 innerhalb weniger Millisekunden auf die Versorgung durch die interne Stromerzeugung um, welche aus einem Akku oder einem Verbund mehrerer Akkus gespeist wird. Durch diesen Schaltvorgang kommt es – also entgegen dem eigentlichen Wortlaut unterbrechungsfrei – zu einer kurzen Unterbrechung der Stromversorgung von wenigen Millisekunden. Diese wird jedoch von den meisten Stromverbrauchern ohne weitere Funktionsstörungen toleriert. Nur bei USV-Anlagen der Klasse 1 kommt es zu keiner Unterbrechung, weil der Strom ständig vom Generator der USV stammt.
Je nach Typ kann eine USV Störungen im Zeitraum von einer Minute bis hin zu mehreren Stunden überbrücken. Im Falle eines vollständigen Stromausfalls können während dieser Zeit die Störungen beseitigt werden oder aber die angeschlossenen Systeme schadfrei heruntergefahren oder ausser Betrieb genommen werden. Ein kompletter Systemabsturz wird so verhindert.
Viele USV-Anlagen können dazu über einen Datenbus ein Alarmsignal aussenden und den Störfall unverzüglich der systemverantwortlichen Person melden. Auch im Normalbetrieb sind jederzeit alle relevanten Daten an jedem Terminal mit Netzanschluss abrufbar, kontrollier- oder steuerbar. Mit Hilfe einer Shutdown-Software kann bei einer Störung auch direkt in den betroffenen Systemen automatisch das Schliessen offener Dateien und das Herunterfahren dieser Systeme veranlasst werden. Eine längerfristige Stromversorgung, wie bei einem Notstromaggregat, bietet eine USV hingegen nicht.
Bei der Auswahl einer geeigneten Spannungsschutzlösung gibt es, je nach Anforderungen und Einsatzgebiet, diverse Aspekte zu beachten. Auf dem Markt sind verschiedene USV-Typen mit unterschiedlichen Schutzstufen verfügbar, grundsätzlich werden aber drei Klassen von USV-Technologien unterschieden:
Offline-USV (Klasse 3 oder VFD)
Systeme der Klasse 3 sind für den Schutz eines einzelnen Computers oder einer einzelnen Workstation konzipiert. Diese günstigen Einstiegsmodelle bieten aber nur bei einem vollständigen Stromausfall eine genügende Absicherung und enthalten weiter keinerlei Funktionen zur Spannungsaufbereitung. Solche Anlagen werden als Offline-Systeme bezeichnet, da der eingebaute Wechselrichter nur bei einem Spannungsausfall aktiv wird. Wird bei der Spannung ein definierter Wert unterschritten, wird automatisch auf die Versorgung durch Batteriespannung umgeschaltet. Dabei kommt es zu der vorher erwähnten Verzögerung von zwei bis drei Millisekunden, die jedoch von den meisten Computern überbrückt werden können.
Line-Interactive-USV (Klasse 2 oder VI)
Einen besseren Schutz als die Offline-Systeme bieten die Line-Interactiven USV-Anlagen der Klasse 2. Solche Systeme bieten nebst dem Schutz bei Stromausfall auch eine Spannungsaufbereitung, welche Spitzen und Schwankungen im Stromversorgungsnetz ausgleicht. Sinkt die Spannung unter einen festgelegten Pegel, versorgt die USV-Anlage mit Hilfe des Batteriestromes die angeschlossenen Geräte mit Wechselspannung. Mit dieser Technologie können allerdings Frequenzabweichungen in der Stromversorgung auch nicht korrigiert werden. Dafür braucht es eine USV mit Dauerwandler.
USV der Klasse 2 oder VI
Dauerwandler-USV (Klasse 1 oder VFI)
Die Online-Technologie ist die umfassendste und sicherste Spannungsschutz-Lösung und für anspruchsvolle Anwendungen geeignet. Bei dieser Technologie gibt es bei der Umschaltung von Netz- auf Batteriebetrieb gar keine Ausfälle. Auch nicht minimalste, da das USV im Normalbetrieb dauerhaft selbst generierten Strom aus den Akkus erzeugt. Diese wiederum werden über einen Gleichrichter dauerhaft nachgeladen. Ein Online-System säubert und filtert dabei die Spannung, so dass das System den angeschlossenen Verbrauchern nur sauberen, gleichmässigen Strom liefert. Für alle Bereiche, in denen geschäftskritische Anwendungen geschützt werden müssen, sind Online-USV-Anlagen unabdingbar.
USV der Klasse 1 oder VFI
Mindestleistung einer USV
Je nach Sensibilität, Umfang und Wichtigkeit der zu schützenden Systeme steigt auch der Sicherungsbedarf gegenüber einer steigenden Anzahl von Stromproblemen. Welche Anwendungen genau mit einer USV abzusichern sind, ist zum Teil gesetzlich vorgeschrieben. Für Operationssäle und Intensivstationen gibt es hier zum Beispiel genau definierte Anforderungen. So muss die USV in diesem Fall unter anderem Netzstörungen so lange überbrücken, bis das Notstromaggregat anspringt. Bei der Entscheidung für eine Unterbrechungsfreie Stromversorgung spielt aber auch der finanzielle Aspekt eine zentrale Rolle. Die Anwender sollten sich klar machen, wie hoch ein eventueller Verlust ist, den ein Ausfall aller Anwendungen verursacht. Mit anderen Worten, erster Schritt in der USV-Planung ist die Festlegung von Schlüsselbereichen, welche gegen Stromausfall oder Spannungsschwankungen gesichert werden sollen. In diese Überlegung sind auch Bildschirme, externe Datengeräte und andere kritische Peripheriegeräte wie z. B. Router und Hubs, einzubeziehen.
Im Planungsprozess einer USV-Anlage ist eine frühzeitige und möglichst gute Bestimmung der Last der USV-Anlage ein entscheidender Faktor für die korrekte Wahl des Typs, des Konzepts, der Betriebsart und der Nennleistung für den optimalen Betrieb. Die Industriepartner der eev stehen Ihnen bei der Planung gerne zur Seite und stellen, mit ihren breiten Sortimenten an USV-Anlagen diverser Hersteller, für alle Anforderungen die passende Lösung zur Verfügung.
Quellen: Eaton, Otto Fischer AG, Bundesamt für Energie, Reicheltpedia